Током периода „14. петогодишњег плана“, према стратешком плану земље за „угљенични врхунац и угљенично неутралност“, фотонапонска индустрија ће довести до експлозивног развоја. Појава фотонапонске индустрије је „створила богатство“ за цео индустријски ланац. У овом блиставом ланцу, фотонапонско стакло је неопходна карика. Данас, залажући се за уштеду енергије и заштиту животне средине, потражња за фотонапонским стаклом расте из дана у дан, и постоји неравнотежа између понуде и потражње. Истовремено, кварцни песак са ниским садржајем гвожђа и ултрабели кварцни песак, важан материјал за фотонапонско стакло, такође је порастао, а цена је повећана и понуда је у дефициту. Стручњаци из индустрије предвиђају да ће кварцни песак са ниским садржајем гвожђа имати дугорочни пораст од преко 15% током више од 10 година. Под јаким ветром фотонапонске енергије, производња кварцног песка са ниским садржајем гвожђа привукла је велику пажњу.
1. Кварцни песак за фотонапонско стакло
Фотонапонско стакло се генерално користи као заштитни панел фотонапонских модула и налази се у директном контакту са спољашњом средином. Његова отпорност на временске услове, чврстоћа, пропустљивост светлости и други показатељи играју централну улогу у веку трајања фотонапонских модула и дугорочној ефикасности производње електричне енергије. Јони гвожђа у кварцном песку се лако боје, а да би се осигурала висока пропустљивост сунчеве светлости оригиналног стакла, садржај гвожђа у фотонапонском стаклу је нижи него у обичном стаклу, па се мора користити кварцни песак са ниским садржајем гвожђа, високом чистоћом силицијума и ниским садржајем нечистоћа.
Тренутно, у нашој земљи постоји мало висококвалитетних кварцних пескова са ниским садржајем гвожђа који се лако ваде, а углавном су распрострањени у Хејуану, Гуангсију, Фенгјангу, Анхуију, Хајнану и другим местима. У будућности, са растом производних капацитета ултрабелог рељефног стакла за соларне ћелије, висококвалитетни кварцни песак са ограниченим производним подручјем постаће релативно оскудан ресурс. Снабдевање висококвалитетним и стабилним кварцним песком ограничиће конкурентност компанија за производњу фотонапонског стакла у будућности. Стога је питање како ефикасно смањити садржај гвожђа, алуминијума, титанијума и других нечистоћа у кварцном песку и припремити кварцни песак високе чистоће врућа тема истраживања.
2. Производња кварцног песка са ниским садржајем гвожђа за фотонапонско стакло
2.1 Пречишћавање кварцног песка за фотонапонско стакло
Тренутно, традиционални процеси пречишћавања кварца који се зрело примењују у индустрији укључују сортирање, рибање, каљење у води за калцинацију, млевење, просејавање, магнетну сепарацију, гравитациону сепарацију, флотацију, испирање киселином, микробно испирање, дегазацију на високој температури итд. Процеси дубоког пречишћавања укључују хлорисано пржење, озрачено сортирање у боји, суперпроводно магнетно сортирање, вакуум на високој температури и тако даље. Општи процес обогаћивања домаћег кварцног песка такође је развијен од раног „млевења, магнетне сепарације, прања“ до „сепарације → грубо дробљење → калцинација → каљење у води → млевење → просејавање → магнетна сепарација → флотација → киселина“. Комбиновани процес обогаћивања потапањем → прањем → сушењем, у комбинацији са микроталасима, ултразвуком и другим средствима за претходну обраду или помоћно пречишћавање, значајно побољшава ефекат пречишћавања. С обзиром на потребе фотонапонског стакла за ниским садржајем гвожђа, углавном се уводе истраживања и развој метода уклањања кварцног песка.
Генерално, гвожђе постоји у следећих шест уобичајених облика у кварцној руди:
① Постоје у облику финих честица у глини или каолинизованом фелдспату
②Причвршћен за површину кварцних честица у облику филма оксида гвожђа
③Гвоздени минерали као што су хематит, магнетит, спекуларит, кинит итд. или минерали који садрже гвожђе као што су лискун, амфибол, гранат итд.
④Налази се у стању урањања или сочива унутар кварцних честица
⑤ Постоје у стању чврстог раствора унутар кварцног кристала
⑥ Одређена количина секундарног гвожђа ће се помешати у процесу дробљења и млевења
Да би се минерали који садрже гвожђе ефикасно одвојили од кварца, потребно је прво утврдити стање присуства нечистоћа гвожђа у кварцној руди и одабрати разумну методу обогаћивања и процес одвајања како би се постигло уклањање нечистоћа гвожђа.
(1) Процес магнетне сепарације
Процес магнетне сепарације може у највећој мери уклонити слабе магнетне нечистоће минерала као што су хематит, лимонит и биотит, укључујући и спојене честице. Према магнетној јачини, магнетна сепарација се може поделити на јаку магнетну сепарацију и слабу магнетну сепарацију. Јака магнетна сепарација обично користи влажни јаки магнетни сепаратор или магнетни сепаратор са високим градијентом.
Генерално говорећи, кварцни песак који садржи углавном слабе магнетне нечистоће минерала као што су лимонит, хематит, биотит итд., може се одабрати помоћу машине са јаким магнетним пољем мокрог типа са вредношћу изнад 8,0×105A/m; За јаке магнетне минерале у којима доминира гвоздена руда, боље је користити машину са слабим магнетним пољем или машину са средњим магнетним пољем за сепарацију. [2] Данас, применом магнетних сепаратора са високим градијентом и јаким магнетним пољем, магнетно сепарирање и пречишћавање су значајно побољшани у поређењу са прошлошћу. На пример, коришћење електромагнетног индукционог ваљкастог јаког магнетног сепаратора за уклањање гвожђа под јачином магнетног поља од 2,2T може смањити садржај Fe2O3 са 0,002% на 0,0002%.
(2) Процес флотације
Флотација је процес одвајања минералних честица путем различитих физичких и хемијских својстава на површини минералних честица. Главна функција је уклањање сродних минерала лискуна и фелдспата из кварцног песка. За флотационо одвајање минерала који садрже гвожђе и кварца, проналажење облика појављивања нечистоћа гвожђа и облика дистрибуције сваке величине честица је кључ за избор одговарајућег процеса одвајања за уклањање гвожђа. Већина минерала који садрже гвожђе има нулту електричну тачку изнад 5, што је позитивно наелектрисано у киселој средини и теоретски погодно за употребу анјонских колектора.
Масна киселина (сапун), хидрокарбил сулфонат или сулфат могу се користити као анионски колектор за флотацију руде оксида гвожђа. Пирит се може флотирати из кварца у окружењу за кисељење са класичним средством за флотацију за изобутил ксантат плус бутиламин црни прах (4:1). Дозирање је око 200 ppmw.
Флотација илменита генерално користи натријум олеат (0,21 мол/л) као средство за флотацију да би се подесила pH вредност на 4~10. Хемијска реакција се одвија између олеатних јона и честица гвожђа на површини илменита да би се произвео гвожђе олеат, који се хемијски адсорбује. Олеатни јони одржавају илменит са бољом флотацијом. Колектори фосфонске киселине на бази угљоводоника развијени последњих година имају добру селективност и перформансе сакупљања илменита.
(3) Процес испирања киселином
Главна сврха процеса киселог испирања је уклањање растворљивих минерала гвожђа из киселог раствора. Фактори који утичу на ефекат пречишћавања киселог испирања укључују величину честица кварцног песка, температуру, време, врсту киселине, концентрацију киселине, однос чврсте и течне материје итд., и повећавају температуру и киселост раствора. Концентрација и смањење радијуса честица кварца могу повећати брзину испирања и брзину испирања Al. Ефекат пречишћавања једне киселине је ограничен, а мешана киселина има синергистички ефекат, што може значајно повећати брзину уклањања нечистоћа као што су Fe и K. Уобичајене неорганске киселине су HF, H2SO4, HCl, HNO3, H3PO4, HClO4, H2C2O4, генерално се две или више њих мешају и користе у одређеној пропорцији.
Оксална киселина је често коришћена органска киселина за испирање киселином. Може да формира релативно стабилан комплекс са раствореним металним јонима, а нечистоће се лако испирају. Има предности ниске дозе и велике брзине уклањања гвожђа. Неки људи користе ултразвук да би помогли у пречишћавању оксалне киселине и открили су да у поређењу са конвенционалним мешањем и ултразвуком у резервоару, ултразвук сондом има највећу брзину уклањања гвожђа, количина оксалне киселине је мања од 4 г/л, а брзина уклањања гвожђа достиже 75,4%.
Присуство разблажене киселине и флуороводоничне киселине може ефикасно уклонити металне нечистоће као што су Fe, Al, Mg, али количина флуороводоничне киселине мора бити контролисана јер флуороводонична киселина може кородирати честице кварца. Употреба различитих врста киселина такође утиче на квалитет процеса пречишћавања. Међу њима, мешана киселина HCl и HF има најбољи ефекат обраде. Неки људи користе мешано средство за лужење HCl и HF за пречишћавање кварцног песка након магнетног одвајања. Хемијским лужењем, укупна количина нечистоћа је 40,71μg/g, а чистоћа SiO2 је чак 99,993% тежинских.
(4) Микробно испирање
Микроорганизми се користе за испирање танког филма гвожђа или импрегнацију гвожђа на површини честица кварцног песка, што је недавно развијена техника за уклањање гвожђа. Стране студије су показале да је употреба микроорганизама Aspergillus niger, Penicillium, Pseudomonas, Polymyxin Bacillus и других за испирање гвожђа на површини кварцног филма постигла добре резултате, од којих је ефекат испирања гвожђа Aspergillus niger оптималан. Стопа уклањања Fe2O3 је углавном изнад 75%, а квалитет концентрата Fe2O3 је само 0,007%. Такође је утврђено да би ефекат испирања гвожђа био бољи уз претходну култивацију већине бактерија и плесни.
2.2 Остали истраживачки напредак кварцног песка за фотонапонско стакло
Да би се смањила количина киселине, смањиле тешкоће пречишћавања отпадних вода и била еколошки прихватљива, Пенг Шоу [5] и др. су открили метод за припрему кварцног песка са ниским садржајем гвожђа од 10 ppm поступком без кисељења: природни венски кварц се користи као сировина, а тростепено дробљење. Прва фаза млевења и друга фаза класификације могу добити гранулацију од 0,1~0,7 мм; гранулација се одваја првом фазом магнетне сепарације и другом фазом јаког магнетног уклањања механичког гвожђа и минерала који садрже гвожђе да би се добио песак за магнетну сепарацију; магнетна сепарација песка се добија флотацијом друге фазе, садржај Fe2O3 је нижи од 10 ppm кварцног песка са ниским садржајем гвожђа, флотација користи H2SO4 као регулатор, подешава pH = 2~3, користи натријум олеат и пропилен диамин на бази кокосовог уља као колекторе. Припремљени кварцни песак SiO2≥99,9%, Fe2O3≤10 ppm, задовољава захтеве силицијумских сировина потребних за оптичко стакло, фотоелектрично дисплејско стакло и кварцно стакло.
С друге стране, са исцрпљивањем висококвалитетних кварцних ресурса, свеобухватно коришћење ресурса ниског квалитета привукло је широку пажњу. Сје Енђун из Кинеског института за дизајн и истраживање грађевинског материјала Бенгбу у индустрији стакла користио је каолинску јаловину за припрему кварцног песка са ниским садржајем гвожђа за фотонапонско стакло. Главни минерални састав каолинске јаловине из Фуђијана је кварц, који садржи малу количину нечистоћа попут каолинита, лискуна и фелдспата. Након што се каолинска јаловина преради процесом обогаћивања „млевење-хидраулична класификација-магнетно одвајање-флотација“, садржај честица величине 0,6~0,125 мм је већи од 95%, SiO2 је 99,62%, Al2O3 је 0,065%, Fe2O3 је 92×10-6, што испуњава захтеве квалитета кварцног песка са ниским садржајем гвожђа за фотонапонско стакло.
Шао Веихуа и други из Института за свеобухватно коришћење минералних ресурса у Џенгџоуу, Кинеске академије геолошких наука, објавили су патент за проналазак: метод за припрему кварцног песка високе чистоће од јаловине каолина. Кораци поступка: а. Јаловина каолина се користи као сирова руда, која се након мешања и пречишћавања просејава да би се добио материјал крупности +0,6 мм; б. Материјал крупности +0,6 мм се меље и класификује, а минерални материјал крупности 0,4 мм-0,1 мм се подвргава магнетној сепарацији. Да би се добили магнетни и немагнетни материјали, немагнетни материјали улазе у операцију гравитационе сепарације да би се добили лаки минерали и тешки минерали гравитационом сепарацијом, а лаки минерали гравитационом сепарацијом улазе у операцију поновног млевења да би се просејали да би се добили минерали крупности +0,1 мм; ц. Минерал крупности +0,1 мм улази у операцију флотације да би се добио концентрат флотације. Горња вода концентрата флотације се уклања, а затим ултразвучно декапира, а затим просејава да би се добио крупни материјал крупности +0,1 мм као кварцни песак високе чистоће. Поступак према овом проналаску не само да може да добије производе високог квалитета од кварцног концентрата, већ има и кратко време обраде, једноставан ток процеса, ниску потрошњу енергије и висок квалитет добијеног кварцног концентрата, који може да задовољи захтеве квалитета кварца високе чистоће.
Каолинска јаловина садржи велику количину кварцних ресурса. Обогаћивањем, пречишћавањем и дубоком прерадом, могу се испунити захтеви за употребу фотонапонских ултрабелог стакленог материјала. Ово такође пружа нову идеју за свеобухватно коришћење ресурса каолинске јаловине.
3. Преглед тржишта кварцног песка са ниским садржајем гвожђа за фотонапонско стакло
С једне стране, у другој половини 2020. године, производни капацитети ограничени експанзијом не могу да се носе са експлозивном потражњом у условима високог просперитета. Понуда и потражња за фотонапонским стаклом су неуравнотежене, а цена расте. На заједнички позив многих компанија за фотонапонске модуле, Министарство индустрије и информационих технологија је у децембру 2020. године издало документ у којем се појашњава да пројекат фотонапонског ваљаног стакла можда неће формулисати план замене капацитета. Под утицајем нове политике, стопа раста производње фотонапонског стакла биће проширена од 2021. године. Према јавно доступним информацијама, капацитет ваљаног фотонапонског стакла са јасним планом производње у 21/22. години достићи ће 22250/26590 тона дневно, са годишњом стопом раста од 68,4/48,6%. У случају политике и гаранција на страни потражње, очекује се да ће фотонапонски песак довести до експлозивног раста.
Производни капацитет индустрије фотонапонског стакла за период 2015-2022
С друге стране, значајно повећање производних капацитета фотонапонског стакла може довести до тога да понуда силицијумског песка са ниским садржајем гвожђа премаши понуду, што заузврат ограничава стварну производњу фотонапонског стакла. Према статистици, од 2014. године, домаћа производња кварцног песка у мојој земљи је генерално била нешто мања од домаће потражње, а понуда и потражња су одржавале чврсту равнотежу.
Истовремено, домаћи ресурси кварцних руда са ниским садржајем гвожђа у мојој земљи су оскудни, концентрисани у Хејуану у Гуангдонгу, Бејхају у Гуангсију, Фенгјангу у Анхуију и Донгхају у Ђангсуу, и велике количине њих морају бити увезене.
Ултрабели кварцни песак са ниским садржајем гвожђа једна је од важних сировина (чинећи око 25% цене сировине) последњих година. Цена је такође расла. У прошлости је дуго била око 200 јуана/тона. Након избијања епидемије у првом кварталу пре 20 година, пала је са високог нивоа и тренутно одржава стабилно пословање.
У 2020. години, укупна потражња моје земље за кварцним песком биће 90,93 милиона тона, производња ће бити 87,65 милиона тона, а нето увоз ће бити 3,278 милиона тона. Према јавно доступним информацијама, количина кварцног камена у 100 кг растопљеног стакла је око 72,2 кг. Према тренутном плану проширења, повећање капацитета фотонапонског стакла у 2021/2022. години могло би достићи 3,23/24500 т/д, а према годишњој производњи израчунато током периода од 360 дана, укупна производња ће одговарати новоповећаној потражњи за силицијумским песком са ниским садржајем гвожђа од 836/635 милиона тона/годишње, односно нова потражња за силицијумским песком са ниским садржајем гвожђа коју је донело фотонапонско стакло у 2021/2022. години чиниће 9,2%/7,0% укупне потражње за кварцним песком у 2020. години. С обзиром на то да силицијумски песак са ниским садржајем гвожђа чини само део укупне потражње за силицијумским песком, притисак понуде и потражње за силицијумским песком са ниским садржајем гвожђа изазван великим улагањем у производне капацитете фотонапонског стакла може бити много већи од притиска на целокупну индустрију кварцног песка.
—Чланак са Powder Network-а
Време објаве: 11. децембар 2021.